Avaliação do risco de fratura por desmineralização óssea

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1 Avaliação do risco de fratura por desmineralização óssea Gisela Alice Soares Leite Relatório Final do Trabalho de Projeto apresentado à Escola Superior de Tecnologia e de Gestão Instituto Politécnico de Bragança para obtenção do grau de Mestre em Tecnologia Biomédica Dezembro de 2014

2 Avaliação do risco de fratura por desmineralização óssea Gisela Alice Soares Leite Relatório Final do Trabalho de Projeto apresentado à Escola Superior de Tecnologia e de Gestão Instituto Politécnico de Bragança para obtenção do grau de Mestre em Tecnologia Biomédica Orientadoras: Professora Doutora Ana Isabel Pereira Professora Doutora Elza Fonseca Este trabalho de projeto inclui as críticas e sugestões feitas pelo Júri Dezembro de 2014

3 Dedico este trabalho à minha madrinha Fátima. i

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5 Agradecimentos No decorrer deste trabalho contei com o apoio de diversas pessoas que através da confiança em mim depositada me foram dando força para o desenvolver. A todos expresso o meu agradecimento sincero. Queria agradecer às minhas orientadoras, professora Doutora Ana Isabel Pereira e professora Doutora Elza Fonseca, pela disponibilidade e ajuda ao longo do desenvolvimento do meu trabalho e pelos sábios conselhos e sugestões dadas. Agradeço ainda os seus contributos a nível pessoal e profissional. De uma forma muito especial quero agradecer a todos os meus familiares pelo incentivo recebido ao longo destes anos. Aos meus pais, pelo apoio incondicional e pela paciência demonstrada na superação dos obstáculos que foram surgindo ao longo desta caminhada. À minha irmã, prima, madrinha e ao meu padrinho de coração, sou grata pelo amor, pela atenção e pelo sorriso que sempre me dedicaram. Agradeço ainda aos meus queridos amigos e colegas que preenchem a minha vida com momentos de felicidade, amizade e diversão constante. iii

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7 Resumo A osteoporose é a doença óssea metabólica mais comum. Caracteriza-se pela diminuição da massa óssea, levando a um aumento do risco de fratura. Esta patologia afeta principalmente a população com mais de 50 anos e maioritariamente mulheres. O risco de fratura, por fragilidade óssea, está associado ao grau de diminuição de massa óssea do indivíduo. Esse valor determina-se através da densidade mineral óssea (DMO). De forma a poderem ser tomadas as medidas preventivas necessárias contra o aparecimento de fraturas provocadas pela desmineralização óssea, é necessário atender a determinados fatores. O objetivo deste estudo será avaliar o risco de fratura por desmineralização óssea através da influência de diversos fatores de risco, nomeadamente, a idade da paciente, o índice de massa corporal, a idade do aparecimento da menopausa, o consumo de café, os valores de densidade mineral óssea nas vértebras L3 e L4 e ainda o valor de T-score na vértebra L4. Este trabalho foi direcionado para uma população feminina com idades entre os 46 e 83 anos. Serão realizados vários estudos com o intuito de descobrir qual o melhor algoritmo de otimização a ser utilizado e finalmente testar se a modelação proposta, obtém resultados válidos em comparação com o diagnóstico obtido através dos exames DEXA. Para a identificação do melhor algoritmo serão utilizados 3 métodos de otimização local (penalidade L 1, penalidade quadrática e SQP) e 3 métodos de otimização global (GA, HGA e SA). Palavras chave: Osteoporose, desmineralização óssea, otimização local e global. v

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9 Abstract Osteoporosis is the most common metabolic bone disease. It s characterized by low bone mass, leading to an increase in fracture risk. This condition mainly affects the population over 50 years and mostly women. The risk of fracture due to bone fragility, is associated the degree of decrease in bone mass of the individual. This value is determined by bone mineral density (BMD). So it s necessary to pay attention to certain factors and take preventive measures necessary to against the occurrence of fractures due to bone loss. The objective of this study will be to evaluate the risk of fracture by bone demineralization through the influence of various risk factors, including patient age, body mass index, age of onset of menopause, coffee consumption, the values of bone mineral density in vertebra L3 and L4 and the value of T-score of vertebra L4. This work will be directed to an female population aged between 46 and 83 years. Will be realized several studies, to find out which the best optimization algorithm, and finally test if the proposed modelation, obtains valid results compared with the diagnosis obtained through DEXA examinations. To identify the best algorithm will be used 3 local optimization methods (penalty L 1, Quadratic Penalty and SQP) and 3 global optimization methods (GA, HGA and SA). Keywords: Osteoporosis, bone demineralization, local and global optimization. vii

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11 Conteúdo Agradecimentos Resumo Abstract Índice de Tabelas Índice de Figuras Lista de Abreviaturas iii v vii xiii xv xvii 1 Introdução Motivação Estrutura do Relatório Constituição do osso O tecido ósseo e o esqueleto Matriz óssea Células do tecido ósseo Reabsorção e formação óssea Osteoporose Definição de osteoporose Tipos de Osteoporose Sintomas Causas Cálcio ix

12 x Envelhecimento e menopausa Doenças e medicação Fatores de risco Diagnóstico Critérios no diagnóstico da osteoporose Tratamento Cálcio Vitamina D Reposição Hormonal Calcitonina Bisfosfonatos Atividade física Fraturas osteoporóticas Otimização Introdução à otimização Otimização não linear com restrições Otimização local e global Programação Quadrática Sequencial (SQP) Métodos de Penalidade Genetic Algorithm Simulated Annealing Métodos de Optimização no Matlab Optimization Toolbox Global Optimization Toolbox Estudos Computacionais Modelação matemática Estudo de diversas técnicas de otimização Caracterização dos dados

13 xi Metodologia Caracterização de dados globais Estudo Caracterização dos dados Resultados da modelação Testes de previsão Estudo Caracterização dos dados Resultados da modelação Testes de previsão Estudo Caracterização dos dados Resultados da modelação Testes de previsão Estudo Resultados da modelação Testes de previsão Conclusões dos Estudos 1 a Resultados Resultados relativos ao valor de função Resultados relativos ao valor de eficiência Conclusão dos resultados Conclusão Trabalho Futuro Bibliografia 73

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15 Lista de Tabelas 3.1 Causas para o aparecimento da osteoporose Alguns fatores de risco associados à osteoporose [15] Classificação em função do valor de IMC Classificação da osteporose relativamente à avaliação do T-Score [15] Classificação da osteporose relativamente à avaliação do Z-Score Caracterização dos inquéritos do estudo inicial Resultados obtidos para todos os métodos estudados Caracterização dos inquéritos totais Contagem dos inquéritos utilizados no Estudo Caracterização dos inquéritos do Estudo Resultado das variáveis e da solução do Estudo 1 aplicando os métodos de otimização Resultado das novas variáveis para os testes de previsão do Estudo Comparação dos testes de previsão do Estudo Contagem dos inquéritos utilizados no Estudo Caracterização dos inquéritos do Estudo Obtenção da solução e das variáveis em estudo aplicando os métodos de otimização Resultado das novas variáveis para os testes de previsão do Estudo Comparação dos testes de previsão do Estudo Contagem dos inquéritos utilizados no Estudo Caracterização dos inquéritos do Estudo Obtenção da solução e das variáveis no Estudo 3 aplicando os métodos de otimização. 56 xiii

16 xiv 5.17 Resultado das novas variáveis para os testes de previsão do Estudo Comparação dos testes de previsão do Estudo Contagem dos inquéritos utilizados Caracterização dos inquéritos do Estudo Resultado das variáveis e da solução do Estudo 4 para cada método de otimização Resultado das novas variáveis para os testes de previsão do Estudo Comparação dos testes de previsão do Estudo Representação dos melhores resultados em cada estudo Resultados considerando as pacientes com mais de 5 exames Dexa Resultados dos inquéritos cujas pacientes realizaram 2 e 4 exames Resultados dos inquéritos cujas pacientes realizaram 3 exames Dexa Comparação de resultados considerando pacientes que realizaram mais de 5 exames Comparação de resultados considerando pacientes que realizaram 2 e 4 exames Comparação de resultados considerando pacientes que realizaram 3 exames

17 Lista de Figuras 2.1 Representação sagital do fémur [9] Esquema representativo da distribuição das células osteoblásticas e dos osteócitos [17] Esquema representativo do ciclo de reabsorção óssea [7] Representação do corte no cólo do fémur com osso normal e osso com osteoporose [21] Esquema dos níveis de massa óssea devido ao aparecimento da osteoporose primária [21] Evolução de uma fratura óssea [29] xv

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19 Lista de Abreviaturas DMO BMD DEXA IMC OMS TQC USQ SQP Densidade Mineral Óssea Bone Mineral Density Dual Energy X-Ray Absorptiometry Índice de Massa Corporal Organização Mundial de Saúde Tomografia Quantitativa Computorizada Ultrassonografia Quantitativa Sequential Quadratic Penalty L1 Penalidade L 1 L2 Penalidade Quadrática GA Genetic Algorithm HGA Hybrid Genetic Algorithm SA Simulated Annealing BMDL3 Bone Mineral Density na terceira vértebra lombar (L3) BMDL4 Bone Mineral Density na quarta vértebra lombar (L4) id Idade correspondente a cada paciente caf Consumo de café idm Idade correspondente ao aparecimento da menopausa xvii

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21 Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação Atualmente, a desmineralização óssea é cada vez mais um dos graves problemas que afetam a maioria da população, trazendo sérias consequências para a saúde e comprometendo a qualidade de vida do ser humano. A densidade mineral óssea diminui com o envelhecimento levando às constantes perdas de massa óssea a partir de uma certa idade. Este fenómeno ocorre de uma forma natural fazendo parte do envelhecimento humano [1]. A desmineralização óssea em conjunto com o aparecimento da menopausa, de determinadas doenças, maus hábitos alimentares e uma má qualidade de vida pode levar ao aparecimento de doenças ao nível do esqueleto, tais como a osteoporose. Posteriormente podem ocorrer fraturas acabando por levar à morte. Desta forma é de extrema importância avaliar determinados fatores da qualidade de vida do indivíduo com vista à prevenção do aparecimento de patologias associadas à perda de massa óssea acentuada e consequente risco de fratura [?]. A otimização tornou-se fundamental para a resolução de problemas nas mais diversas áreas, nomeadamente, em economia, em engenharia, processamento de imagem, entre outras [28]. Otimização é um processo matemático com o objetivo de estudar e analisar soluções que melhor correspondam à realidade dos problemas de acordo com as condições a que estes podem estar sujeitos. Este processo não garante encontrar a solução perfeita para o problema em estudo. Contudo, obtém 1

22 2 1.2 Estrutura do Relatório a melhor solução possível dependendo das condições a que o problema é sujeito [22]. O objetivo deste estudo consiste em estudar o risco associado à ocorrência de fraturas ósseas através da implementação da modelação matemática já analisada por estudos anteriores, testando-a com diferentes algoritmos de otimização. Para isso será utilizada a área da otimização não linear com restrições, onde serão considerados diversos fatores, nomeadamente, a idade da paciente, o IMC (índice de massa corporal), a idade do aparecimento da menopausa, o consumo de café, a densidade mineral óssea (DMO) nas vértebras L3 e L4 e ainda o valor de T-Score. Todos estes dados serão obtidos através de inquéritos realizados a uma população de indivíduos do sexo feminino com idades a partir dos 46 anos e ainda de exames Dexa realizados anteriormente pelas pacientes. Desta forma serão realizados vários estudos com o intuito de descobrir qual o melhor algoritmo de otimização a ser utilizado e finalmente testar se a modelação matemática proposta, obtém resultados válidos em comparação com o diagnóstico obtido através dos exames DEXA. Para a identificação do melhor algoritmo utilizado para a modelação proposta serão testados diversos algoritmos de otimização local e global, nomeadamente: Otimização Local: Método de Penalidade L 1 combinado com Nelder-Mead; Método de Penalidade L 2 combinado com Nelder-Mead; Método de Programação Quadrática Sequencial. Otimização Global: Método Genetic Algorithm; Método Hybrid Genetic Algorithm; Método Simulated Annealing.

23 1.2 Estrutura do Relatório Estrutura do Relatório Este relatório é iniciado com uma breve introdução e explicação da motivação do tema, seguido da estrutura do relatório. No Capítulo 2 será feita uma apresentação sobre a constituição do osso, nomeadamente, sobre o tecido ósseo e o esqueleto, a matriz óssea, bem como as células do tecido ósseo. Neste capítulo serão ainda abordados os processos de formação e reabsorção óssea. No Capítulo 3 será estudada a osteoporose através da sua definição, do estudo dos vários tipos de osteoporose, os seus sintomas, as suas possíveis causas, os fatores de risco desta patologia, assim como o seu diagnóstico e por fim um breve conceito sobre fraturas osteoporóticas e a importância do seu correto tratamento. No Capítulo 4 será realizada uma introdução à otimização, surgindo um pouco da sua história. Neste capítulo serão transmitidos alguns conceitos de otimização não linear com restrições, uma breve distinção entre otimização local e global, a descrição de todos os métodos estudados para a análise do problema e ainda os respetivos algoritmos. No Capítulo 5 é feita uma apresentação e modelação do problema inicial e ainda são demonstrados, analisados e comentados os estudos computacionais realizados e os respetivos resultados obtidos. No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões e algumas sugestões de trabalho futuro.

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25 Capítulo 2 Constituição do osso 2.1 O tecido ósseo e o esqueleto O sistema esquelético é de extrema importância para a vida do ser humano devido ao seu desempenho fundamental no suporte mecânico e na homeostasia mineral. O esqueleto é composto por 206 ossos de tamanho e formato variados, sendo estes conectados por uma variedade de articulações que permitem uma ampla variedade de movimentos mantendo a estabilidade estrutural [29]. O tecido ósseo é o principal componente do esqueleto humano. É dos tecidos mais rígidos e resistentes do corpo humano e, embora com uma estrutura relativamente leve, a sua arquitetura permite suportar forças consideráveis resultantes do peso do corpo e da tensão muscular. Os sais de cálcio depositados na matriz constituinte do tecido ósseo conferem rigidez ao tecido. O esqueleto articulado é responsável pela forma do corpo onde as estruturas esqueléticas são o apoio dos músculos, transformando a contração muscular em movimentos úteis e funcionando também como alavancas ampliando as forças geradas pela contração muscular. Os elementos do esqueleto participam ainda no movimento, nomeadamente na locomoção e são articulados de forma a delimitar cavidades que alojam órgãos vitais assumindo a função de proteção [29, 31]. O tecido ósseo, sendo uma forma especializada de tecido conjuntivo, é constituído por células e matriz extracelular. A matriz extracelular, também designada de matriz óssea, apresenta-se fortemente mineralizada oferecendo desta forma dureza ao tecido ósseo. As superfícies externa e 5

26 6 2.1 O tecido ósseo e o esqueleto interna do tecido ósseo estão envolvidas por tecido conjuntivo designado de periósteo e endósteo respetivamente [31]. A Figura 2.1 representa um corte sagital do fémur, onde se pode observar os principais constituintes do tecido ósseo. Figura 2.1: Representação sagital do fémur [9]. Nos ossos verifica-se que há zonas com minúsculas cavidades delimitadas por trabéculas de tecido ósseo e zonas sem cavidades. No primeiro caso designam-se por ossos esponjosos ou trabeculares e no segundo caso por ossos compactos ou corticais [31]. O tecido ósseo esponjoso é formado por finas trabéculas paralelas entre si. O osso trabecular apresenta maior capacidade metabólica e maior atividade de remodelação óssea devido a este apresentar uma maior área de superfície em comparação com o osso cortical [17]. O tecido ósseo compacto ou cortical é constituído por sistemas de Harvers sendo este composto por várias lamelas. Esta organização do tecido ósseo compacto em lamelas representa um compromisso entre a solidez e a resistência deste tecido [11]. O osso cortical apresenta maior densidade e menor porosidade em relação ao osso trabecular e a sua resistência pode atingir até 10 vezes a do osso esponjoso [17].

27 2.3 Células do tecido ósseo 7 O osso é um tecido dinâmico remodelado constantemente ao longo da vida. O arranjo do osso compacto e esponjoso proporciona a força e a densidade apropriadas tanto para a mobilidade quanto para a proteção [11]. 2.2 Matriz óssea A matriz óssea é constituída por duas componentes, cerca de 50% do peso da matriz constitui a parte inorgânica e o restante constitui a parte orgânica, aproximadamente. Na parte orgânica da matriz predominam as fibras de colagénio e ainda outros constituintes participantes nos processos de mineralização e adesão dos elementos de hidroxiapatite. Na parte inorgânica da matriz predominam os iões cálcio e fosfato que constituem os cristais de hidroxiapatite, embora ainda possam ser encontrados em menor quantidade outros iões [31]. A associação dos cristais de hidroxiapatite (parte inorgânica) às fibras de colagénio (parte orgânica) conferem a dureza e resistência do tecido ósseo, para que possa desempenhar as suas funções e suportar os esforços mecânicos [11, 31]. 2.3 Células do tecido ósseo Os osteoblastos são células situadas nas superfícies do tecido ósseo em crescimento, localizadas em íntimo contato com o endósteo ou o periósteo. Este tipo de célula sintetiza a parte orgânica da matriz. A matriz recém sintetizada deposita-se em torno do osteoblasto, envolvendo-o. Antes de sofrer o processo de mineralização, esta matriz denomina-se por osteóide. Em simultâneo, os osteoblastos vão perdendo a capacidade de síntese dos componentes da matriz e passam a designarse por osteócitos, maior contingente de células do tecido ósseo. Embora sem atividade sintética, os osteócitos têm um papel crucial na manutenção da matriz óssea [31].

28 8 2.4 Reabsorção e formação óssea A Figura 2.2 representa um esquema da distribuição das células osteoblásticas e dos osteócitos, sendo possível a sua observação na matriz óssea. Figura 2.2: Esquema representativo da distribuição das células osteoblásticas e dos osteócitos [17]. No osso compacto, o colagénio, constituinte predominante da matriz óssea, é depositado num padrão paralelo estratificado e mecanicamente forte. O colagénio deposita-se numa direção dependente da tensão máxima a que os ossos estão submetidos, conferindo deste modo o máximo de resistência para um mínimo de volume ósseo. No osso trabecular os osteoblastos depositam o colagénio de maneira irregular. Deste modo, o osso trabecular em comparação com o osso compacto apresenta um menor grau de eficiência e maior fragilidade, com uma maior tendência para a ocorrência de fraturas quando sujeito a maiores esforços [19]. No tecido ósseo aparece uma outra linhagem de células nomeadamente os osteoclastos. Estes estão situados na superfície óssea, principalmente no endósteo. Os osteoclastos são responsáveis pela reabsorção da matriz óssea [31]. 2.4 Reabsorção e formação óssea Durante o crescimento, no aumento do volume do esqueleto (modelação óssea), a formação do osso predomina. Uma vez que o esqueleto atinge a maturidade, a degradação e a renovação do osso

29 2.4 Reabsorção e formação óssea 9 responsáveis pela manutenção do esqueleto são designadas de remodelação óssea. Os fenómenos de reabsorção e de formação óssea são compreendidos por dois tipos de células distintos, nomeadamente os osteoblastos que produzem a matriz óssea e os osteoclastos que a reabsorvem. A mineralização é um processo minuciosamente regulado pelos osteoblastos [11, 29]. Durante o processo de reabsorção óssea, o tecido cortical é constituído por verdadeiros túneis/cones de reabsorção, onde são preenchidos lentamente por novo osso conhecidos como cuttings/ filling cones. Nas trabéculas do tecido ósseo esponjoso, os locais em reabsorção apresentamse como escavações ou lacunas (lacunas de Howship) [17]. O desenvolvimento dos osteoclastos é controlado pelos osteoblastos em conjunto com as células do estroma. Deste modo é assegurada uma rígida conjugação entre a formação e a reabsorção óssea vital para o sucesso do sistema esquelético [11, 29]. A Figura 2.3 apresenta um esquema do ciclo de reabsorção óssea. Figura 2.3: Esquema representativo do ciclo de reabsorção óssea [7]. Tal como é possível observar na Figura 2.3, o ciclo de reabsorção óssea compreende uma série ordenada de eventos que vão converter uma superfície em repouso numa zona em remodelação, seguindo uma sequência: Início Reabsorção Reversão Formação Remodelação completa.

30 Reabsorção e formação óssea A fase de início compreende o reconhecimento de uma área precisa da superfície óssea e a sua preparação para o processo de remodelação. Na fase de reabsorção os osteoclastos efetuam no osso esponjoso, lacunas de contornos muito irregulares (lacunas Howship) e no osso cortical, cavidades cilíndricas designadas por cones de reabsorção (cutting cones). De seguida os osteoblastos são ativos iniciando-se desta forma a formação da matriz óssea. Na fase de reversão verifica-se uma complexa comunicação bidirecional entre os osteoclastos e os osteoblastos, sendo esta fase responsável pela inibição da atividade dos osteoclastos e em simultâneo pela promoção da atividade dos osteoblastos [17]. O preenchimento da cavidade de reabsorção é naturalmente da responsabilidade das células osteoblásticas. Esta fase, denominada de formação, consiste na síntese de matriz osteóide e na sua posterior mineralização, tendo como resultado final a reconstrução da lacuna óssea (de Howship ) ou de um cone de reabsorção óssea com novo osso. A remodelação completa é da responsabilidade dos osteócitos. Os osteócitos presentes na matriz óssea mineralizada estão envolvidos num processo de regulação, que determina a diferenciação dos osteoblastos secretores em células de revestimento ósseo, finalizando desta forma o ciclo de remodelação óssea. É de realçar que no ciclo de remodelação a fase de reabsorção é mais rápida do que a de formação. Normalmente, a quantidade de tecido ósseo reabsorvido num período de 3 semanas leva aproximadamente 3 meses a ser substituído. Por outro lado, a velocidade da remodelação do osso esponjoso ou trabecular é muito maior que a do osso cortical. Este aspeto está intimamente relacionado com a sua grande área de superfície de contacto com o meio envolvente, respondendo com mais facilidade às várias solicitações, apresentando uma maior capacidade metabólica e uma maior atividade de remodelação do que o osso cortical. Desta forma existe uma maior incidência de certas patologias, tais como a osteoporose, nesta variedade de tecido ósseo [17].

31 2.4 Reabsorção e formação óssea 11 Ainda que a associação e alinhamento sequencial entre os processos de reabsorção (osteoclástica) e formação (osteoblástica) raramente seja afetada, o balanço final em termos de massa óssea pode variar consideravelmente. A maior parte das doenças metabólicas e inflamatórias que atingem o tecido ósseo, manifestam-se geralmente por perturbações na dinâmica da remodelação resultando, quase invariavelmente, num decréscimo da massa óssea [17]. O pico de massa óssea é atingido no início da vida adulta entre os anos após o final da modelação óssea. Este é determinado por uma variedade de fatores, incluindo o tipo de recetor de vitamina D herdado, o estado de nutrição, o nível de atividade física, a idade e o estado hormonal. A massa óssea diminui de uma forma contínua em ambos os géneros a partir dos 30 anos. No entanto, no caso da mulher diminui de uma forma abrupta e rápida depois do aparecimento da menopausa. Nesta fase a quantidade de osso reabsorvido excede a quantidade de osso formado resultando numa diminuíção da massa esquelética. Esta situação pode levar ao aparecimento da osteoporose senil, evidenciada principalmente em mulheres pela rápida perda óssea que ocorre durante a década seguinte à menopausa [11]. À medida que a idade avança o processo contínuo e obrigatório de remodelação óssea, indispensável e desejável num osso normal, realiza-se de uma forma desequilibrada em que a quantidade do osso destruído é sempre superior à quantidade do osso formado. Isto conduz a uma estrutura óssea composta por trabéculas muito finas que se tornam mais frágeis e descontínuas [4].

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33 Capítulo 3 Osteoporose 3.1 Definição de osteoporose A osteoporose é a doença óssea metabólica mais comum, caracterizada pela diminuição da massa óssea e deterioração da micro-arquitetura, levando a um aumento da fragilidade e consequente aumento do risco de fratura por trauma de baixo impacto. Além de ser uma patologia progressiva e silenciosa, a principal consequência são as fraturas ósseas que por si suscetibilizam o aparecimento de outras fraturas. As mais comuns são as vertebrais e as do punho que ocorrem nos primeiros dez anos após a menopausa, e as mais graves as da anca por se relacionarem com o aumento das taxas de mortalidade e diminuição do nível de qualidade de vida, aumentando substancialmente os gastos com a assistência da saúde pública e privada. Desta forma a Organização Mundial de Saúde (OMS) considera a osteoporose como uma das patologias mais graves da saúde pública, e a tendência futura é um impacto sócio- económico cada vez maior devido à expectativa de vida crescente, especialmente no contingente feminino e idoso [12, 33]. Como qualquer outro tecido do corpo humano, o osso é uma estrutura viva que tem a necessidade de se manter saudável. Isto acontece dependendo da frequência da remodelação de tecido ósseo velho em novo. A osteoporose ocorre quando o corpo deixa de formar material ósseo novo em quantidade suficiente ou quando uma grande quantidade de material dos ossos antigos é reabsorvida pelo corpo (em alguns casos podem ocorrer as duas situações). Desta forma os ossos não se 13

34 Tipos de Osteoporose renovam como deveriam, ficando cada vez mais fracos e finos e sujeitos a fraturas [33]. A Figura 3.1 representa um corte do osso do colo do fémur, visualizando-se uma imagem de osso normal e outra de osso com osteoporose. Figura 3.1: Representação do corte no cólo do fémur com osso normal e osso com osteoporose [21]. 3.2 Tipos de Osteoporose A osteoporose, que pela definição operacional da Organização Mundial de Saúde (OMS) é sinónimo de densidade mineral óssea (DMO) diminuída, pode ter múltiplas causas e pode classificar-se em osteoporose primária e osteoporose secundária. Na osteoporose primária não há uma patologia subjacente que justifique a sua ocorrência, resultando da diminuição de estrogénios (hormonas femininas) após a menopausa e/ou da aquisição insuficiente de massa óssea durante a fase de crescimento do indivíduo. Esta pode ser dividida em dois tipos, osteoporose pós-menopausa ou tipo I e osteoporose senil ou tipo II.

35 3.2 Tipos de Osteoporose 15 A Figura 3.2 representa a diminuição da massa óssea ao longo dos anos devido ao aparecimento da osteoporose primária. Figura 3.2: Esquema dos níveis de massa óssea devido ao aparecimento da osteoporose primária [21]. Na osteoporose pós-menopáusica, a perda óssea acelerada deve-se à deficiência de estrogénios que ocorre na altura da menopausa e é agravada pela idade, afetando todo o esqueleto. A deficiência de estrogénios é a causa mais importante de osteoporose na mulher pós-menopáusica. Na mulher jovem e saudável a formação e a reabsorção ósseas estão em equilíbrio, mantendo-se desta forma a massa óssea constante. Na mulher pós-menopáusica a reabsorção óssea predomina, verificando-se perda da massa óssea e redução da resistência conduzindo, por fim, à osteoporose e à ocorrência de fraturas. Durante a menopausa os ovários deixam de produzir estrogénio e a diminuição de estrogénios circulantes promove a perda acelerada de osso devido ao aumento da reabsorção óssea e a diminuição da sua formação. A perda de massa óssea é mais acentuada nos 3-6 anos após a menopausa. Após a perda acelerada inicial, a perda óssea diminui lenta e gradualmente até aos valores verificados antes da menopausa. A perda óssea verificada nos primeiros anos após a menopausa tem a sua maior repercussão ao nível do osso trabecular que existe predominantemente nas vértebras e nos punhos, onde as primeiras fraturas osteoporóticas tendem a ocorrer com mais frequência, devido ao maior número de trabéculas ósseas e superfícies de reabsorção. A osteoporose senil ou tipo II é relacionada com o envelhecimento e aparece por deficiência

36 Causas crónica de cálcio levando à diminuição da formação óssea. Esta patologia afeta tanto o osso trabecular como o osso compacto, havendo uma grande probabilidade de ocorrência de fraturas na coluna vertebral, pelve, ossos longos, costelas, anca e punho. Na osteoporose secundária, a perda de tecido ósseo é secundária a uma doença, a distúrbios alimentares ou a medicação [1]. 3.3 Sintomas Habitualmente não ocorrem sintomas clínicos de osteoporose antes da ocorrência de uma fratura. De facto, durante a progressão da doença os ossos tornam-se progressivamente mais frágeis sem que os indivíduos afetados o percebam. Excetuando os casos em que o doente efetua o rastreio da doença, o diagnóstico só se realiza após a ocorrência de uma fratura [1]. As fraturas que mais vezes decorrem no decurso desta doença situam-se no punho, fêmur, colo de fêmur e coluna, embora possam ocorrer fraturas em qualquer porção do esqueleto. Uma fratura vertebral, que poderá resultar de um passo em falso ou de um movimento efetuado ao levantar um objeto pesado, manifesta-se por uma dor aguda. Várias fraturas vertebrais podem levar a um quadro doloroso crónico, perda de estatura corporal, aumento de cifose (curvatura das costas) e, em casos extremos, à diminuição da capacidade respiratória. Outros sintomas que podem surgir com o avanço da doença poderão ser dor ou sensibilidade óssea, dor prolongada na região lombar e na região do pescoço devido a fraturas dos ossos da coluna vertebral e dificuldade em manter-se de pé, necessitando de recorrer a auxiliares de marcha. Todos estes sintomas levam à perda de qualidade de vida do paciente e a um aumento do risco de mortalidade [33]. 3.4 Causas Na osteoporose o processo de reabsorção óssea, fundamental para a manutenção do esqueleto, é gravemente comprometido, visto que o corpo passa a absorver mais osso do que a produzir ou então

37 3.4 Causas 17 não consegue produzir a quantidade suficiente. Existem certos problemas que podem interferir na formação dos ossos nomeadamente a deficiência de cálcio, o envelhecimento, a menopausa e determinadas doenças e medicação [27] Cálcio O cálcio é um mineral essencial à formação normal dos ossos utilizado para a produção do esqueleto durante a juventude. O osso é o principal reservatório de cálcio no corpo humano. Quando o metabolismo do osso está em equilíbrio, ele retira e repõe o cálcio dos ossos sem comprometer essa estrutura. O cálcio é obtido através da alimentação. Caso a quantidade de ingestão de cálcio não seja suficiente ou o organismo não consiga absorver o cálcio ingerido, a produção de tecidos ósseos pode ser afetada tornando o organismo incapaz de produzir o esqueleto e colmatar as falhas de cálcio no resto do organismo devido à insuficiência de nutrientes. Desta forma a ingestão insuficiente de cálcio ou a má absorção poderá ser uma das causas do aparecimento da osteoporose[1] Envelhecimento e menopausa A grande maioria dos pacientes com osteoporose têm esta doença associada ao envelhecimento ou ao aparecimento da menopausa. Relativamente ao envelhecimento, até aos 35 anos há um equilíbrio entre processos de reabsorção e formação óssea, a partir dessa idade a perda óssea aumenta gradualmente como parte do processo natural de envelhecimento. Desta forma os ossos ficam mais frágeis levando ao aparecimento da osteoporose. Relativamente à menopausa, enquanto a mulher está em período fértil existe a produção acentuada de estrogénio. Quando abundante no corpo da mulher, o estrogénio retarda a reabsorção do osso reduzindo a sua perda e ainda é responsável pela fixação do cálcio nos ossos contribuindo para o fortalecimento do esqueleto. Em contrapartida, a mulher durante e após a menopausa tem uma produção muito reduzida de estrogénio, uma vez que ele não é mais necessário para o ciclo

38 Fatores de risco menstrual. A falta desta hormona irá contribuir para a perda de massa óssea mais acelerada, principalmente nos primeiros anos da pós-menopausa. A menopausa pode ser assim uma fase inicial para a osteoporose. No homem, baixos níveis de testosterona também podem favorecer a osteoporose uma vez que esta hormona entra na formação do tecido ósseo [27] Doenças e medicação Existem ainda certas condições que podem levar ao aparecimento da osteoporose em pessoas mais jovens e sem outro tipo de fatores de risco. A Tabela 3.1 apresenta algumas doenças e medicação que poderão levar ao desenvolvimento de osteoporose [1, 27]: Tabela 3.1: Causas para o aparecimento da osteoporose. Doenças Doenças inflamatórias intestinais Síndrome de Cushing Doenças reumáticas Doenças renais Acromegalia Medicação Fármacos à base de: Hormonas tiróideias Corticóides Heparina Entre outros 3.5 Fatores de risco Algumas pessoas têm maior probabilidade de desenvolver osteoporose do que outras. Os fatores que aumentam a probabilidade do aparecimento desta doença e de fraturas ósseas são designados por fatores de risco. Existem determinados fatores de risco que podem ser modificados ao longo da vida do ser humano tal como a ingestão de certos alimentos. Em contrapartida existem outros fatores que o ser humano não tem poder de decisão sobre eles.

39 3.6 Diagnóstico 19 A Tabela 3.2 contém os fatores de risco modificáveis e não modificáveis que podem ter um papel fundamental no aparecimento da osteoporose e de fraturas ósseas. Tabela 3.2: Alguns fatores de risco associados à osteoporose [15]. Não Modificáveis Histórico familiar de fratura/osteoporose Doenças (ex:artrite reumatóide) Raça caucasiana Género feminino Baixo IMC Idade Modificáveis Consumo excessivo de proteínas, sódio e cafeína Consumo reduzido de vitamina D Consumo excessivo de álcool Consumo reduzido de cálcio Sedentarismo Imobilização O risco associado aos fatores de risco é aditivo, ou seja, quanto mais fatores de risco um indivíduo possuir maior será o risco de vir a sofrer de fraturas osteoporóticas. A identificação dos indivíduos com risco mais elevado de desenvolver osteoporose e fraturas permite o diagnóstico precoce e, portanto, uma intervenção atempada [1, 5, 27]. 3.6 Diagnóstico Tal como acontece nas outras patologias, o diagnóstico da osteoporose é feito pela história clínica, exame físico e exames subsidiários. Geralmente a osteoporose não apresenta muitos sintomas manifestando-se por vezes apenas por uma fratura. O espasmo muscular é a principal causa dos sintomas podendo estes ser originados por microfraturas e em muitos casos, é consequente a uma fratura de compressão. Quando isto ocorre, a doença está num estado avançado e o dano é grave. Na história clínica deve ser obtida a informação sobre a idade da menopausa, a presença do fator familiar, os hábitos alimentares, a prática de atividade física, o uso de café, cigarro ou álcool. No exame físico pode-se verificar a deformidade da coluna, incluindo os dados de peso e altura para acompanhamento.

40 Diagnóstico Os exames subsidiários utilizados são os laboratoriais e de imagem. Os exames laboratoriais utilizados geralmente são constituídos com base na dosagem de cálcio, fósforo, entre outros. No diagnóstico por imagens são utilizadas as radiografias e a densitometria óssea. No exame radiográfico pode-se vizulizar a diminuição da densidade mineral óssea contudo não fornece a quantificação da perda óssea e os resultados podem ainda não ser os mais fiéis à realidade [14]. A densitometria óssea determina a extensão da perda óssea e verifica a eficácia da prevenção ou tratamento. Entre as diversas técnicas disponíveis para a determinação da DMO, as mais frequentes são: Absorciometria de raios-x de dupla energia (Dual Energy X-ray Absorptiometry - DEXA); Tomografia quantitativa computorizada (TQC); Ultrassonografia quantitativa (USQ). A densitometria óssea (DEXA) é a técnica habitualmente utilizada devido à sua ampla disponibilidade, elevada precisão para estabelecer o nível de desmineralização óssea, estratificar o risco de fratura e monotorizar mudanças de massa óssea. Esta técnica recorre a dois feixes de raio-x com diferentes níveis de energia: O feixe de baixa energia é atenuado essencialmente pelos tecidos moles produzindo apenas um pequeno sinal detetável; O feixe de alta energia penetra nos tecidos moles e é atenuado essencialmente pelo osso, originando um sinal detetável mais forte [18, 27]. O exame DEXA não deve ser repetido mais que uma vez por ano ou a cada dois anos. Repetições mais frequentes são sugeridas em pacientes com possibilidade de apresentar perda de massa óssea acelerada. DEXA depende da aborção da radiação pelo esqueleto promovendo medidas quantitativas de

41 3.6 Diagnóstico 21 massa óssea. Esta ainda é capaz de medir partes centrais do esqueleto (coluna e fémur), apresentando doses de radiação baixa quando comparadas aos outros métodos [13]. A densidade mineral óssea (DMO) está relacionada com o risco de fratura por fragilidade óssea uma vez que uma DMO baixa é o fator que, isoladamente, mais pesa no risco de fratura do idoso e afeta pelo menos metade de todas as mulheres pós-menopáusicas. As mulheres com osteoporose têm, individualmente, o risco de fratura mais elevado. No entanto, a maioria das fraturas osteoporóticas ocorre em mulheres pós-menopáusicas com osteopenia (com uma DMO apenas moderadamente baixa) devido a este ser o grupo mais numeroso [27]. Para auxiliar na realização do diagnóstico da osteoporose é ainda utilizada a medição do índice da massa corporal (IMC), avaliando a obesidade e a pré-obesidade. O IMC é uma fórmula aceite como padrão de medida internacional para identificar, da melhor maneira possível, o grau de obesidade de um indivíduo. Trata-se de um método fácil e rápido para a avaliação do nível de gordura de cada indivíduo. Um valor baixo de IMC pode representar um fator de risco para a osteoporose, nomeadamente valores que representem magreza extrema do paciente. A fórmula matemática do IMC é expressa pela seguinte formula: IMC = Massa Altura 2 [kg/m2 ] (3.1) Para calcular o valor de IMC de um indivíduo, deve-se dividir o valor da massa em quilogramas (kg), pelo quadrado da altura em metros (m). Segundo a OMS, considera-se que há excesso de massa corporal quando o IMC é igual ou superior a 25 e que há obesidade quando o IMC é igual ou superior a 30.

42 Diagnóstico A Tabela 3.3 representa a classificação em função do valor do IMC [33]. Tabela 3.3: Classificação em função do valor de IMC. IMC [kg/m 2 ] Classificação 18 < IMC < 25 Normal 25 < IMC < 30 Excesso de peso 30 < IM C < 35 Obesidade moderada (grau I) 35 < IM C < 40 Obesidade grave (grau II) IMC > 40 Obesidade mórbida (grau III) Critérios no diagnóstico da osteoporose A definição adotada pela OMS nas recomendações para o diagnóstico da osteoporose baseia-se na diminuição de massa óssea. O grau de diminuição de massa óssea é determinado através dos valores de DMO, representada pela quantidade de mineral por área de osso e é expressa em g/cm 2. A avaliação de osteoporose é determinada através de um dos critérios de medição T-score e Z-score. T-score é o número do desvio-padrão acima ou abaixo dos valores do grupo de jovens do mesmo género. Este critério é quantificado por uma norma, T-score, que corresponde ao valor da diferença de desvio-padrão e a média de DMO do jovem, através da seguinte equação [18]: T-Score = P M y SD y (3.2) onde P é o valor de DMO medido, M y o valor médio DMO de um jovem do mesmo género e SD y representa o desvio padrão da população mais jovem.

43 3.7 Tratamento 23 A Tabela 3.4 apresenta os valores de classifificação do diagnóstico da osteoporose em relação à avaliação do T-Score. Tabela 3.4: Classificação da osteporose relativamente à avaliação do T-Score [15]. T-Score Diagnóstico T 1 Normal 2.5 < T < 1 Osteopenia T 2.5 Osteoporose Existe outra norma determinada pela OMS, o Z-Score, normalmente indicada para exames feitos a pacientes jovens uma vez que indica com melhor precisão o estado de saúde do paciente. Esta norma compara o resultado medido com a média da população de idade e género correspondente demonstrado na seguinte expressão: Z-Score = P MA m SD m (3.3) onde P é o valor de DMO medido, MA m o valor médio de DMO de um jovem do mesmo sexo e idade e SD m é o desvio padrão para indivíduos da mesma idade e género correspondente. A Tabela 3.5 representa as normas de avaliação da osteoporose, relativamente ao Z-score [9, 18]. Tabela 3.5: Classificação da osteporose relativamente à avaliação do Z-Score. Z-Score Z 2 Z < 2 Diagnóstico Normal Osteoporose

44 Tratamento 3.7 Tratamento A principal forma de tratamento da osteoporose é a prevenção tendo como elementos críticos o pico de massa óssea e a prevenção da reabsorção pós-menopausa. O pico de massa óssea é dependente da ingestão de cálcio e vitamina D, da função menstrual normal e da atividade física. A maioria dos agentes terapêuticos atuam na reabsorção óssea [14] Cálcio O consumo de cálcio aumenta através da prática de atividade física e também sofre um aumento durante o período de gestação e amamentação. As necessidades diárias variam de acordo com a faixa etária. A principal fonte de cálcio na dieta é o leite e os seus derivados, mas existe também em certos vegetais como no espinafre, no agrião, entre outros. Muitas vezes é difícil obter a quantidade necessária apenas da dieta alimentar, nesses casos é necessário recorrer a suplementos de cálcio. Os suplementos mais comuns são de carbonato de cálcio. Teoricamente a ingestão de suplementos de cálcio pode reduzir os riscos de fratura em 10%; em mulheres entre 35 e 43 anos previne a perda óssea e permite-lhes a entrada na menopausa com os níveis de massa óssea mais elevados [14] Vitamina D A vitamina D é sintetizada na pele pela ação dos raios solares ultravioleta e sofre transformações ao nível do fígado e dos rins para se tornar ativa, favorecendo a formação óssea e facilitando a absorção intestinal do cálcio. Nos indivíduos deficientes dessa vitamina, a ingestão de suplementos de vitamina D aumenta os níveis de massa óssea e diminui o risco de fraturas [14] Reposição Hormonal Estrogénios: A perda óssea é acelerada após a menopausa. Os estrogénios inibem a reabsorção óssea, melhoram o perfil lipídico, protegem os dentes e o cérebro e diminuem ainda o risco de

45 3.7 Tratamento 25 Alzheimer. Podem diminuir a incidência de fraturas da coluna até 50%. A dose deve ser ajustada a cada paciente [14] Calcitonina A calcitonina é uma hormona produzida por um grupo de células da tiróide. Esta atua inibindo a ação de uma hormona da paratiróide (PTH). A calcitonina e a PTH, quando estão em quantidades adequadas, equilibram a concentração de cálcio no sangue o primeiro diminui o cálcio no sangue e o segundo, aumenta. Como consequência, a PTH estimula a reabsorção de cálcio e fosfato dos ossos e a absorção de cálcio pelos rins e intestino. A calcitonina inibe a reabsorção óssea e diminui a reabsorção de cálcio no rim. Quando estas hormonas não estão equilibradas e a PTH está em maior quantidade, a reabsorção óssea aumenta, levando à osteoporose. O principal efeito da calcitonina para o tratamento da osteoporose é inibir a absorção de cálcio nos rins [14] Bisfosfonatos Diminuem a reabsorção óssea. Existem vários tipos de bisfosfonatos com características específicas para o tratamento de diferentes aspetos da osteoporose. O alendronato, o risedronato e o ibandronato são alguns tipos que podem ser administrados por via oral. Há também o zoledronato, que é administrado por infusão endovenosa. Todos os bisfosfonatos citados são recomendados tanto para prevenção quanto para o tratamento da osteoporose [14] Atividade física A massa óssea está relacionada com a ação da musculatura sobre o osso, portanto exercícios gravitacionais são mais efetivos. Um programa ideal de atividade física deve ter exercícios aeróbios de baixo impacto, exercícios de perceção e de fortalecimento muscular a fim de diminuir a incidência de quedas. Os exercícios aeróbios de baixo impacto, como caminhadas, estimulam a formação osteoblástica e previnem a reabsorção óssea; exercícios com pesos leves aumentam a massa muscular e

46 Fraturas osteoporóticas a força dos músculos esqueléticos. Os exercícios de perceção visam melhorar o padrão da marcha, o equilíbrio e os reflexos, de forma a prevenir possíveis quedas. O benefício da prática de atividade física é evitar a perda óssea que ocorre com o sedentarismo, o que de certa maneira pode reduzir o risco de fraturas [14]. 3.8 Fraturas osteoporóticas Apesar de estudos comprovarem que a idade, o sexo, o índice de massa corporal, o hipoestrogenismo (diminuição dos níveis estrogénio), além de antecedentes de fratura, correlacionam-se diretamente com a diminuição da resistência óssea, a baixa densidade mineral óssea no antebraço, nas vértebras ou na anca ainda é o melhor prognóstico do risco para fraturas osteoporóticas em qualquer zona esquelética [12]. As fraturas e as suas complicações são relevantes sequelas clínicas da osteoporose. Grande parte das fraturas em idosos são devidas, em parte, à baixa densidade óssea. Podem ocorrer em qualquer osso, porém ocorrem mais frequentemente nos ossos da anca, coluna, punho e costelas. Na presença de uma fratura é de extrema importância investigar a sua causa. A história clínica, o exame físico e exames laboratoriais devem afastar outro tipo de patologias. Baixa massa corporal, perda de peso recente, história de fraturas anteriores por fragilidade óssea ou casos de fraturas osteoporóticas na família e ainda o hábito de fumar são considerados altos fatores de risco para a ocorrência de fraturas. Pessoas com qualquer um desses fatores constituem um maior risco de fratura, independentemente da massa óssea. A ausência de qualquer desses elementos de risco diminui o risco de fratura por fragilidade do osso [14]. Geralmente é a fratura da anca que apresenta maior gravidade nas situações de fraturas osteoporóticas: uma média de 24% dos pacientes com fraturas da anca e com mais de 50 anos de idade morrem no decorrer do ano seguinte após a ocorrência da fratura; 25% dos pacientes com fratura da anca requerem cuidados especiais por longo prazo e somente 1/3 recupera inteiramente o nível de independência que possuía antes da fratura. A frequência de fraturas da anca é de 2 a 3 vezes

47 3.8 Fraturas osteoporóticas 27 maior nas mulheres do que nos homens, porém a mortalidade após uma fratura da anca é cerca de duas vezes maior nos homens do que nas mulheres. A dor, limitação física e mudança no estilo de vida associadas às fraturas da anca e das vértebras podem causar sintomas psicológicos, como depressão, ansiedade, medo ou até mesmo ira, atrapalhando desta forma a recuperação do paciente [14]. Para a consolidação eficiente da fratura é importante que todas as condições sejam ótimas e que diversos fatores interfiram com a consolidação satisfatória das fraturas. Para que ocorra a consolidação óssea adequada é essencial que as extremidades ósseas fraturadas se encontrem muito próximas entre si, que a fratura seja imobilizada e que o paciente tenha uma boa capacidade de consolidação. No entanto, um suprimento sanguíneo inadequado na área afetada pode comprometer a consolidação óssea. Condições gerais de nutrição inadequada (particularmente desnutrição protéica ou deficiências vitamínicas) e posição inadequada das extremidades ósseas (por exemplo um deslocamento importante, tecidos moles viáveis entre as extremidades ósseas ou a mobilidade excessiva) também podem contribuir para uma consolidação óssea anormal ou tardia [19, 29]. As figuras seguintes representam um exemplo de uma fratura óssea e a mesma fratura depois de submetida a tratamento, respetivamente. Figura 3.3: Evolução de uma fratura óssea [29].